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Les détecteurs de vertex du futur. Illustration avec les capteurs MAPS-CMOS pour l’ILC P.Lutz Spp. PLAN. Un peu d’histoire (le paysage) Les besoins de la physique (la tendance) dictent les contraintes sur le détecteur. Les limites des détecteurs actuels

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Les d tecteurs de vertex du futur

Les détecteurs de vertex du futur

Illustration avec les capteurs MAPS-CMOS pour l’ILC

P.Lutz Spp

Prospective DAPNIA


PLAN

  • Un peu d’histoire (le paysage)

  • Les besoins de la physique (la tendance)

    dictent les contraintes sur le détecteur.

  • Les limites des détecteurs actuels

  • Les principales lignes de R&D

  • La solution des MAPS

    * les performances obtenues

    * les challenges de la R&D

    * les applications actuelles/futures

  • Conclusions

Prospective DAPNIA


  • Since late’70s, successful vertex detectors (for heavy flavour tagging) were mainly based on silicon microstrips

  • Interesting technology shift is under way. Within 5 years, will mostly be based on silicon pixels

  • Why is this?

    • highest performance b and charm reconstruction in dense track environments has come from two pixel-based detectors, NA32 in ’80s, SLD in ’90s

    • extreme radiation environments in the inferno close to IP at future hadron colliders

    • high backgrounds, and high track density in core of jets at future e+e- colliders

  • These disparate requirements at hadron and e+e- colliders have very different solutions (both of them pixel-based), and are supported by contrasting R&D programmes

  • This transition to pixels implies synergies with other areas of science, where images taken with IR, visible, UV, X-rays benefit from the technologies being developed for HEP vertex detectors, and vice versa

Prospective DAPNIA


Les besoins de physique qui sous tendent le cahier des charges
Les besoins de physique qui flavour tagging) were mainly based on silicon microstripssous-tendent le cahier des charges

  • Comprendre les lois de la Nature en HEP repose de plus en plus sur l’étiquetage des saveurs lourdes, rendu possible par la reconstruction précise des vertex déplacés. ct ~ 90 – 500 mm

  • On veut pouvoir signer la saveur (b et c) et la charge associée à un vertex.

  • La plupart des états finals contiennent des b, des c et/ou des t, souvent par l’intermédiaire des bosons (W, Z, H) ou du quark t.

  • * mesures des Br. du Higgs, des asymétries AFB, ALR, etc.

  • * reconstruction de chaînes de désintégration en assignant chaque trace à son vertex d’origine (primaire, secondaire, tertiaire), dans un environnement multi-jet: _ _

  • e+e- tt  bbWW 6 jets

  • e+e-  HHZ  WWWWZ 10 jets

    La physique de précision possible à l’ILC implique un détecteur très précis.

Prospective DAPNIA


Le but : identifier la flavour tagging) were mainly based on silicon microstripssaveur et la charge de chaque jet avec

à la fois une très grande efficacité et pureté (charme)

Implique : un vertex-détecteur très granulaire, ultra-léger,

avec plusieurs couches, installé très près du point d’interaction.

Mais : la recherche de processus rares, à haute énergie,

entraîne des sections efficaces petites, que l’on cherche à

compenser par de hautes luminosités. D’où un haut taux

d’occupation et des radiations ionisantes.

Le détecteur doit être rapide et tolérer les radiations.

Les technologies prouvées sont inadéquates !

* CCD : OK pour granularité et minceur, mais trop lents

et pas assez de tenue aux radiations

* HAPS (LHC) : qualités et défauts inverses !

Prospective DAPNIA


Performances souhaitées pour l’ILC flavour tagging) were mainly based on silicon microstrips

5 couches concentriques (R=15-60mm,cosu<0.95)

sIP = a + b/p.sin3/2u avec a ~5mm, b<10mm

Read-out : 20-25ms (L0), 50ms (L1), ~200ms(autres)

Epaisseur : ~50mm (capteur), ~0.1%X0/couche

Dissipation moyenne << 100W (éviter le cooling)

Tol. radiations : 250 kRads et 6.1011 n/cm2 (5ans)

Prospective DAPNIA


Some tagging performance plots in ee qq events
Some tagging performance plots in ee flavour tagging) were mainly based on silicon microstrips qq events

Standard vertex detector, 91 GeV

Large Rbp vertex detector, 91 GeV

  • Performance is greatly enhanced wrt to SLD thanks to improved vertex detector

    e.g. Highly pure b tag can be also highly efficient, and high purity (85%) for c tag

    extends from 18% (SLD) to 35%(ILC)

  • Charm tagging suffers mostly by change in design, and affects strongly physics

    measurements. E.g. 15% error increase on Br(Hcc) (LC-PHSM-2004-xxx, T.Kuhl et al)

Prospective DAPNIA


Column Parallel CCD flavour tagging) were mainly based on silicon microstrips

Readout time = N/Fout

M

N

N

“Classic CCD”

Readout time  NM/Fout

Les CCD

Pour pallier la lenteur, le RAL essaye une lecture // des colonnes

Mais la tenue aux radiations risque d’être insuffisante.

Prospective DAPNIA


Les pixels hybrides le d tecteur pixels d atlas
Les pixels hybrides : Le détecteur à pixels d’ATLAS

  • 3 couches et 4*2 disques de pixels

  • 50 mm * 300 mm

  • Épaisseur : 300 mm

  • ssp = 12 mm (Rf)

    ~ 70 mm (z)

  • 1,4 %X0par couche

  • doit tenir 5 à 50*1013 neutrons/cm2/an

Prospective DAPNIA


Les lignes des r d actuelles
Les lignes des R&D actuelles pixels d’ATLAS

  • Les MAPS (IReS, DAPNIA, RAL, …)

  • Les DEPFET (Bonn, Munich)

  • SOI detector (Insubria, Cracovie)

Prospective DAPNIA


Caract ristiques et avantages des maps
Caractéristiques et avantages des MAPS pixels d’ATLAS

Silicium type p basse resistivité

Signal produit dans la couche epi

(low doping) Q ~80 e-h/mm

Collection par la jonction p-epi n-well

Avantages :

System-on-chip : monolithique vrai

Volume sensible = couche epi.

-> amincissement à 25 mm possible

Techno standard -> cout « faible »

Tolérance aux radiations > CCD

Prospective DAPNIA


Silicium de haute resistivité, fully depleted pixels d’ATLAS

DEPFET

Bonn/Munich group

MOS transistor instead of JFET

A pixel size of ca. 20 x 20 µm² is achievable using 3µm minimum feature size.

Une matrice de 520*4000

pixels a déjà été réalisée,

amincie à 50mm.

Impressionnant !

Reste hybride !

Prospective DAPNIA


Soi detector
SOI detector pixels d’ATLAS

Insubria/Krakow group

Detector handlable wafer

  • High resistivity

  • 300 m thick

    Electronics active layer

  • Low resistivity

  • 1.5 m thick

  • Readout pixels (min charge sharing): 10 m

Detector:conventional p+-n, DC-coupled

Electronics:preliminary solution – conventional bulk MOS technology on the thick SOI substrate

Prospective DAPNIA


Maps en d tail
MAPS en détail pixels d’ATLAS

  • Les groupes impliqués dans la R&D

  • Les performances prouvées

  • La tolérance aux radiations

  • L’amincissement industriel

  • La vitesse de read-out

  • Applications en HEP, ailleurs

  • Les études à faire (shopping list)

Prospective DAPNIA


Maps les groupes qui travaillent
MAPS: les groupes qui travaillent pixels d’ATLAS

  • Upgrade BELLE : Hawaï, Tokyo, KEK, Tsukuba, Cracovie.

  • Upgrade STAR : Irvine, LBNL, IReS.

  • CBM (GSI) : GSI et IReS.

  • ILC : IReS, DAPNIA, LBNL, Oregon,

    Yale, RAL+Liverpool+Glasgow, Hambourg, Desy, Bergame, Come, Pavie, Rome.

Prospective DAPNIA


Maps ce qui a t fait
MAPS: ce qui a été fait pixels d’ATLAS

  • Au moins 9 process explorés :

    AMS0.6(14mm),AMS0.35(0),AMS0.35opto(10mm)

    AMI(MIETEC)0.35(4mm), IBM0.25(2mm), STM0.13(?)

    TSMC0.35(11mm), TSMC0.25(~6mm)

  • Tests en faisceaux : performances

    STAR, ILC, CBM : MIMOSA (15 protos)

    BELLE : CAP (Continuous Acquisition Pixel) (3 protos)

  • Résultats encourageants après 6 ans

    excellence efficacité (M.I.P. detection) et resolution

    analogique OK, amincissement bien avancé, rad. tol. à suivre.

Prospective DAPNIA


Maps exploration des processus de fabrication
MAPS : exploration des processus de fabrication pixels d’ATLAS

  • Nécessaire pour mesurer l’épaisseur de la couche epitaxiale, le courant de fuite f(T,dose), le bruit, les rad. tol.

  • Architecture simple, analogique pure.

  • AMS 0.35 opto semble pour l’instant le meilleur (MIMOSA9)

S/N ~25 (MPV) edet > 99% ssp = 1.5mm (20mm)

5.0mm (40mm)

Prospective DAPNIA


Maps la r solution spatiale
MAPS : la résolution spatiale pixels d’ATLAS

  • Versus la taille du pixel :

    Mesurée sur télescope au CERN

    (faisceau de p de 120 GeV/c)

    ssp ~1.5mm (20mm pitch)

    5.0mm (40mm pitch)

  • Versus S/N et ADC n-bits

    Résultats excellents sur pixels sans

    traitement intégré du signal.

    Simulation probt pessimiste.

Prospective DAPNIA


Maps tol rance aux radiations
MAPS : tolérance aux radiations pixels d’ATLAS

  • Radiations non ionisantes : neutrons de O(1MeV) à JINR(Dubna) et CERI (Orléans). Doses jusqu’à 1013neq/cm2

    On commence à perdre en charge collectée vers 1012neq/cm2

    Ileak et le bruit augmentent un peu (~10%).

    Très dépendant du processus de fabrication !

Performances meilleures

avec T < 0°C

S/N (MPV) versus fluence et T

pour AMS-0.35 OPTO

Prospective DAPNIA


Maps tol rance aux radiations1
MAPS : tolérance aux radiations pixels d’ATLAS

  • Les radiations ionisantes ont des effets connus :

    décalage des seuils en tension, augmentation des Ileak

    Le design doit éviter les oxydes épais autour du N-well et sans doute inclure des anneaux de garde.

    Un temps d’intégration court et T < 0°C aident.

Prospective DAPNIA


Maps amincissement
MAPS : amincissement pixels d’ATLAS

Developpé sur Mimosa5 :

Amincissement à 120mm « aisé »

au niveau du wafer

et pas de pertes de performances

LBNL a réussi 50mm avec des

résultats satisfaisants (fragile!)

En France, TRACIT a atteint 70mm

et essaye de descendre à 40mm.

Attention: enlever totalement le

substrat n’est pas la solution : on

observe une perte de charge qui

fait baisser l’efficacité de detect.

Capteurs MIMOSA5 (3.5cm2)

Prospective DAPNIA


Maps vitesse du read out
MAPS : vitesse du read-out pixels d’ATLAS

  • La granularité est attrayante, mais 5-50mm pitch => O(105-106)pixels/cm2

  • Une vitesse élevée de lecture nécessite un processing massivement parallèle.

    data flow énorme : > O(102)Gbits/s/cm2

  • Deux solutions :

    Trigger externe et pixels à multi-mémoires.

    Data sparsification intégrée sur le chip.

Prospective DAPNIA


Maps trigger based proto cap
MAPS : Trigger based proto (CAP) pixels d’ATLAS

Up to 10 memory cells/pixel, read out only if selected by external trigger

Prospective DAPNIA


Maps system on chip
MAPS : system-on-chip pixels d’ATLAS

  • Mimosa 8 (DAPNIA)

    * TSMC 0.25mm digital (~6mm epi)

    * 32*128 pixels (25mm pitch)

    * on-pixel CDS et discriminateur

    au bas de chaque colonne.

  • Tests avec source et en faisceau

    (e- 5 GeV à DESY) très encourageants

Prospective DAPNIA


Maps system on chip1
MAPS : system-on-chip pixels d’ATLAS

MIMOSA8

  • bruit du pixel faible : 13-18 e- ENC

  • (CDS inclus)

  • dispersion pixel à pixel faible

  • (< 10 e- ENC)

  • discriminateur effectif !

  • lecture complète du chip en 20ms

  • (source), 50ms (faisceau).

  • S/N pour MIPs : ~10

  • efficacité detection : > 98%

Prospective DAPNIA


Maps applications
MAPS : applications pixels d’ATLAS

  • Super Belle (~2008 ?) from strips to pixels !

    Pb : O(10)MRad/an et temp. ambiante : temps d’intégration bref

    Trigger externe (10kHz) : 10 « mémoires » par pixel, chacune étant la charge intégrée en 10ms.

    3 prototypes produits.

  • STAR (2008) veut mesurer le charme ouvert à RHIC.

    2 couches (~1500cm2) à R=15 & 50mm, avec ssp<10mm, 0.1%X0,

    read-out < 5ms, Pdiss < 100mW/cm2, opérant à 30-40°C, mais avec irradiation faible: O(10)kRad/an et 1011neq/cm2/an.

    Mimosa5 était le premier proto. On en est à MIMOSTAR2, qui approche les

    spécifications.

    3. Cold Baryonic Matter (GSI-2015 ?)

    Nécessite une intense R&D pour des capteurs rapides et rad-hard.

Prospective DAPNIA


Maps les tudes faire
MAPS : les études à faire pixels d’ATLAS

  • Exploration des process : épaisseur epi, taille pixel, profil du dopage, nb de couches métal, …

  • La collection de charge : améliorer S/N, réduire la taille du cluster, …

  • Architecture rapide : ADC, sparsification

  • Architecture multi-mémoire : nb. max. de capa, architecture de lecture

  • Tolérance aux radiations

  • Transfert du signal : électrique ou optique

  • Amincissement et stitching : effet sur le budget matériel

  • Temperature et cooling : circulation gaz suffisant ?

  • Support mécanique et intégration : <0.1%X0

  • Puissance dissipée et cycle du collisionneur : fonctionnement « pulsé » ?

Prospective DAPNIA


Conclusions
CONCLUSIONS pixels d’ATLAS

  • La physique demande des détecteurs de plus en plus précis => pixels

  • 3 ou 4 technologies sont étudiées

  • MAPS : ~20 labos travaillent

    déjà de très beaux résultats

    plusieurs applications pour dès 2008

    encore beaucoup d’efforts à faire

    C’est le bon moment pour renforcer cette R&D.

Prospective DAPNIA


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